美國阿貢實驗室發明的新電解質阻止了鋰電池性能的快速下降

鋰離子電池用途廣泛，目前其年交易量達數十億美元，并且還在持續增長。美國能源部阿貢國家實驗室的研究人員開發了一種新的電解質混合物和一種簡單的添加劑，或許將在下一代鋰離子電池中占有一席之地。阿貢實驗室的Baris Key表示：根據測試結果，我們有充分的理由相信，如果硅負極能取代石墨負極，哪怕是一小部分，也會產生深遠的影響，本發明就是其中的一部分。

幾十年來，為了能制造出大容量、長壽命、成本低且更加安全的新一代鋰離子電池，科學家們一直在積極尋找新的電極材料和電解質。憑借廉價且可靠的儲能，新一代電池很可能使電動汽車更加普及，加快電網向可再生能源發展。對于研制高級鋰離子電池的科學家來說，取代目前使用的石墨，硅是首選的負極材料。硅的理論儲能容量相比石墨具有顯著優勢，幾乎是石墨的十倍。低成本的硅更具商業吸引力。它是地殼中豐度位于第二的材料，在計算和通信硬件中占主導地位，這表明其加工技術可靠。但硅仍然存在問題，在循環過程中，鋰離子電池中的硅負極易于與電解液發生反應，隨著時間的推移，這一過程造成電池性能下降，導致循環壽命縮短。目前的鋰離子電池電解質由混合溶劑、至少一種溶解性鋰鹽和通常是三種以上的有機添加劑構成。

阿貢實驗室的科學家研究出獨特的電解質添加劑策略——加入少量的第二種鹽，這種鹽含有二價或三價金屬陽離子(Mg2+，Ca2+，Zn2+，Al3+)中的任何一種。這些增強型電解質混合物被稱為 MESA(硅負極混合鹽電解質)，可使硅負極內外整體穩定，并可長期循環，使用壽命得到改善。Baris Key表示，經過全流程電池制造，采用商業標準電極，MESA配方得到全方位檢驗。新的化學品性質簡單，可放大生產，與現有的電池生產技術完全兼容。阿貢實驗室的研究人員還研究了含有MESA的電解質工作原理。在充電過程中，電解質溶液中的金屬陽離子與鋰離子一起遷移到硅負極中，形成鋰-金屬-硅態，比鋰-硅態更穩定。這種新電池的化學性質極大地降低了硅負極與電解質之間不利副反應的發生，而這一問題一直困擾著傳統電解液電池。在電池上測試的4種金屬鹽中，添加了Mg2+或Ca2+的電解質被證明效果最佳，充放電超過數百次。這些電池的能量密度比相應的石墨負極電池高50%。

[靳愛民摘譯自 ScienceDaily，2019-10-10]